碳鋼轉(zhuǎn)爐二級冶煉模型系統(tǒng)分析

張燕連

（中冶東方工程技術(shù)有限公司自動化設(shè)計研究所，山東 青島 266555）

引言

轉(zhuǎn)爐二級工藝控制有助于順利高效地進行煉鋼操作，在這樣的系統(tǒng)中，二級冶煉模型占據(jù)重要地位?；诟睒尩霓D(zhuǎn)爐自動化煉鋼二級冶煉模型使用靜態(tài)和動態(tài)兩部分控制模型，目的是為了提高工藝效率和終點溫度以及含碳量的控制精度。這樣的轉(zhuǎn)爐煉鋼冶煉模型具有以下優(yōu)點：終點溫度控制精度高；終點含碳量控制精度高；提高工藝效率；減少補吹次數(shù)；降低渣中的鐵含量；提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的壽命；優(yōu)化廢鋼熔煉效率[1]。本研究依據(jù)寶鋼德盛不銹鋼有限公司新煉鋼工程2 座碳鋼轉(zhuǎn)爐二級冶煉模型應(yīng)用實際案例，詳細論述二級冶煉模型硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，過程控制，過程模型設(shè)計等方面內(nèi)容。

1 轉(zhuǎn)爐二級冶煉模型的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 概述

基于副槍的自動化煉鋼控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)爐模型包括的模型服務(wù)器、操作站、工程師站的硬件和系統(tǒng)軟件[2]。

硬件設(shè)備的選擇的原則是在滿足系統(tǒng)要求的可靠性和高性價比的前提下，最大限度的統(tǒng)一設(shè)備選型，便于減少設(shè)備備件的種類，簡化設(shè)備維修。本控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面的原則是全部選用標準TCP/IP 協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)副槍自動化煉鋼系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的無障礙網(wǎng)絡(luò)連接，最大限度滿足整個工廠在共享數(shù)據(jù)方面的需要。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接主要包括與基礎(chǔ)自動化（一級）和生產(chǎn)計劃調(diào)度信息管理（L2）的數(shù)據(jù)的通訊。

1.2 硬件和軟件配置

系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備主要包括系統(tǒng)服務(wù)器、客戶機。

系統(tǒng)涉及的軟件主要包括定制開發(fā)的煉鋼模型工藝軟件，定制開發(fā)的操作端客戶端軟件，以及相關(guān)計算機的操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)硬件主要有服務(wù)器（每座轉(zhuǎn)爐配1套），工程師站（只包括冶金工程師站應(yīng)用軟件），操作員站。

1.2.1 服務(wù)器 每座轉(zhuǎn)爐設(shè)置1 臺服務(wù)器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐模型服務(wù)器與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互；轉(zhuǎn)爐模型服務(wù)器基于Windows Server，安裝在計算機室內(nèi)。服務(wù)器采用機柜安裝方式。

服務(wù)器軟件配置有：操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫、轉(zhuǎn)爐模型與PLC 通訊軟件、轉(zhuǎn)爐模型與其他計算機通訊軟件、轉(zhuǎn)爐模型過程控制系統(tǒng)、客戶端軟件。

1.2.2 工程師站 冶金工程師站為基于Windows 的SQL Server 客戶機。其硬件配置有1 臺主機、1 臺顯示器，配套鍵盤、鼠標。

工程師站軟件配置有：操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫和客戶端軟件。

1.2.3 操作員站 用于實際冶煉在線控制使用，為基于Windows、SQl Server 客戶機，布置在主控制室。操作員站硬件配置有2 臺主機、2 臺顯示器，配套鍵盤、鼠標。

操作員站軟件配置有：操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫和客戶端軟件。

1.3 硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3.1 硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，2 座150t 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中：包括2 座轉(zhuǎn)爐模型服務(wù)器2 臺，每臺服務(wù)器供一座轉(zhuǎn)爐使用；包括操作員站（2 臺），供轉(zhuǎn)爐操作員使用；包括工程師站（1 臺），供冶金工程師使用。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 采用基于TCP/IP 協(xié)議以太網(wǎng)。服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡，分別接入一級網(wǎng)和HMI 網(wǎng)；客戶機、工程師站采用HMI 網(wǎng)與服務(wù)器相通訊；一級系統(tǒng)與服務(wù)器采用一級網(wǎng)進行通訊；三級網(wǎng)采用軟件配置方式進行配置。

1.4 軟件及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.4.1 軟件開發(fā)及應(yīng)用環(huán)境 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用環(huán)境見表1。

表1 系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用環(huán)境

1.4.2 系統(tǒng)功能 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)包含系統(tǒng)運行的各種軟件，通訊程序、HMI 程序、模型程序、數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)冶煉過程數(shù)據(jù)采集通訊、模型計算控制、人機交互、數(shù)據(jù)存儲功能。轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)功能分為兩種：模型部分及非控部分[3]。

模型部分（靜態(tài)/動態(tài)控制模型）包括：主原料計算、熔劑計算、耗氧量計算、冷卻劑計算、動態(tài)校正計算及預(yù)報、自學(xué)習(xí)、合金計算等模型。

系統(tǒng)非控程序是一組具有特定功能程序的統(tǒng)稱，完成靜動態(tài)控制系統(tǒng)運行環(huán)境構(gòu)建和進程協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)非控程序?qū)崿F(xiàn)冶煉計劃、工藝參數(shù)、轉(zhuǎn)爐吹煉模式、鐵水和廢鋼數(shù)據(jù)通訊，與其它系統(tǒng)（L2 級及L3 級）的通訊、冶煉爐次跟蹤、轉(zhuǎn)爐日志及報表。

將上述兩種功能集成在一個完整的計算機控制系統(tǒng)中，形成了完整的轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)。

1.4.3 數(shù)據(jù)采集及通訊 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)和一級數(shù)據(jù)通訊采用OPC 方式，在計算機平臺將一級PLC 數(shù)據(jù)點配置到實時數(shù)據(jù)庫的標簽中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)點配置不同的采集頻率，平臺實時數(shù)據(jù)庫可以為其他應(yīng)用程序提供最新的一級數(shù)據(jù)實時值；數(shù)據(jù)下發(fā)一級PLC 功能也由計算機平臺實現(xiàn)[4]。XTransactionService服務(wù)可以實現(xiàn)一級信號量快速變化狀態(tài)監(jiān)控和事件輸出。過程控制模塊負責(zé)所有調(diào)用事件的協(xié)調(diào)組織；同時利用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)存儲并管理。轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)平臺的整體架構(gòu)圖見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)平臺的整體架構(gòu)

2 過程控制

2.1 概述

轉(zhuǎn)爐過程計算機系統(tǒng)建立在基礎(chǔ)自動化的基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)和控制轉(zhuǎn)爐煉鋼過程，同時監(jiān)視和收集煉鋼工藝過程的實際數(shù)據(jù)，處理和存儲大量的工藝和設(shè)備數(shù)據(jù)，形成作業(yè)報表[5]。

系統(tǒng)控制過程貫穿整個轉(zhuǎn)爐的冶煉過程，轉(zhuǎn)爐控制過程包括的步驟有：爐次開始、生產(chǎn)計劃接管、主原料計算、輔原料計算、發(fā)送設(shè)定值、吹煉開始、TSC 測量、動態(tài)過程、TSO 測量、再吹、吹煉結(jié)束、出鋼、合金化、濺渣、出渣/爐次結(jié)束。

轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)將按照生產(chǎn)計劃所指定的冶煉模式來確定系統(tǒng)控制步驟、模型計算方法。

2.2 系統(tǒng)控制過程的詳述

2.2.1 爐次開始及結(jié)束標志 爐次開始的標志規(guī)定如下：爐次開始一般采用一級人工確認方式，或者與一級其他約定信號來進行確認（如裝廢鋼開始）。

爐次結(jié)束的標志規(guī)定如下：爐次結(jié)束一般采用一級人工確認方式，或者與一級其他約定信號來進行確認（如出渣結(jié)束）。

2.2.2 生產(chǎn)計劃管理 生產(chǎn)計劃三級（L2）下發(fā)信息，生產(chǎn)計劃管理包括如下的詳細操作內(nèi)容及控制過程：（1）三級（L2）發(fā)送生產(chǎn)計劃到轉(zhuǎn)爐模型服務(wù)器，該過程由數(shù)據(jù)庫通訊自動完成；（2） L2 下發(fā)本爐生產(chǎn)計劃時候，需要下發(fā)出鋼標記、工藝路線、目標溫度、目標碳、鐵包號和廢鋼斗號。（3） 緊急情況下，如無法及時獲得生產(chǎn)計劃信息，操作員可以通過客戶端界面手動建立生產(chǎn)計劃；（4） 如果發(fā)送的生產(chǎn)計劃不包括爐次號時，則需經(jīng)過操作界面的調(diào)整完成爐次號的匹配。

2.2.3 主原料計算 完成生產(chǎn)計劃的接管后，系統(tǒng)可進行主原料計算，內(nèi)容包括冶煉目標計算和廢鋼需求量查詢。半鋼冶煉不進行主原料計算。

冶煉目標計算指出鋼溫度計算，吹煉目標溫度、目標碳由L2 在發(fā)送計劃時一并發(fā)送給模型系統(tǒng)。操作人員根據(jù)實際的需要，可以直接修改、輸入鋼水的吹煉結(jié)束溫度確認值。出鋼溫度設(shè)定可能對吹煉模式的自動選擇有直接關(guān)系。

主原料計算指鐵水和廢鋼計算。鐵水和廢鋼計算依據(jù)為鋼種標準、生產(chǎn)計劃，操作人員可對計算結(jié)果進行手動修改。計算完成后，操作人員確認所需要的鐵水量和廢鋼量。

2.2.4 副原料計算 副原料計算包括熔劑計算模型和靜態(tài)計算模型。根據(jù)實際的鐵水成分和溫度以及廢鋼的重量計算如下數(shù)據(jù)：熔劑加入量、吹氧量、冷卻劑加入量。

根據(jù)生產(chǎn)計劃使用的冶煉模式不同，計算模型自動調(diào)整選擇對應(yīng)的計算方法。

計算過程中，熔劑種類、冷卻劑種類與鋼種配置的模式相關(guān)，系統(tǒng)自動識別并完成計算。轉(zhuǎn)爐操作人員根據(jù)實際需要，可以對熔劑、吹氧量、冷卻劑計算值進行修改，作為操作員的設(shè)定值。在修改熔劑加入量后，操作員可以對耗氧量和冷卻劑重新進行計算。

以上操作完成后，將計算數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)最終發(fā)送到一級系統(tǒng)，作為冶煉實際采用的設(shè)定值。

2.2.5 吹煉開始 吹煉開始（首次或中間停吹后的再次吹煉）時，氧槍的流量及槍位由一級系統(tǒng)進行設(shè)置并執(zhí)行。吹煉開始后，一級系統(tǒng)開始按照吹煉和加料模式對吹煉過程進行吹煉和加料控制。轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行連續(xù)的在線跟蹤、數(shù)據(jù)采集。

2.2.6 TSC 測量 一般在吹氧量達到總氧量85%（工程師站參數(shù)，絕對值）時啟動副槍測量，測量結(jié)果為鋼水碳含量C 和溫度T。TSC 測量時，氧槍槍位及流量控制采用副槍測量模式下設(shè)定值；TSC 測量完成后，氧槍槍位及流量恢復(fù)至正常吹煉模式動態(tài)階段設(shè)定值。TSC 測量結(jié)果返回時，系統(tǒng)自動啟動動態(tài)計算模型，計算結(jié)果包括動態(tài)氧量、冷卻劑量或發(fā)熱劑量。動態(tài)計算后，系統(tǒng)進行實時預(yù)測計算：采用1～2 s 作為運算周期，根據(jù)實際的吹氧量、冷卻劑或發(fā)熱劑加入量，實時預(yù)測計算熔池C 含量和溫度。

2.2.7 動態(tài)過程 動態(tài)過程指系統(tǒng)完成TSC 測量至吹煉結(jié)束間的控制過程。該控制過程涉及吹氧、加料控制。如果TSC 測量成功且為動態(tài)過程自動控制模式，吹煉控制模塊完成氧槍控制、加料控制。轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)根據(jù)實時預(yù)測結(jié)果，判斷是否到達冶煉目標，到達時，下發(fā)吹煉結(jié)束指令至一級。如果第一次TSC 測量不成功，或根據(jù)需要進行了第二次TSC 測量（人工方式），系統(tǒng)可以根據(jù)后一次測量結(jié)果，再次啟動動態(tài)計算。如果TSC 測量不成功或為動態(tài)過程手動控制模式，則需要操作工手動完成氧槍控制、加料控制及結(jié)束吹煉工作。動態(tài)過程中，系統(tǒng)實時預(yù)測計算熔池C 含量和溫度，為自動及手動停吹提供參考。

2.2.8 TSO 測量 TSO 測量過程由一級系統(tǒng)控制完成，測量結(jié)果為熔池氧含量、碳含量和溫度、液面高度。TSO測量后，系統(tǒng)啟動合金計算模型。

2.2.9 合金化 合金化過程包括加入金屬合金料及爐渣改制改質(zhì)劑過程。合金計算只計算能夠采用合金料倉自動投料的料種。低磷高碳冶煉不涉及合金計算。合金計算依據(jù)吹煉結(jié)束的鋼水成分，檢化驗結(jié)果或TSO 測量結(jié)果；至少需要TSO 測量正常進行，在TSO 測量結(jié)果到達時，自動啟動合金計算模型。模型計算合金料、脫氧劑、改質(zhì)劑的加入量。

2.2.10 濺渣 人工選擇濺渣模式，發(fā)送給一級系統(tǒng)，由一級系統(tǒng)選擇濺渣氧槍并確認濺渣開始。

濺渣過程中，系統(tǒng)實時采集跟蹤濺渣加料及氧槍的控制情況，濺渣完成后，系統(tǒng)停止過程跟蹤。濺渣加料與留渣均作為下一爐次的計算參數(shù)。

2.2.11 出渣 濺渣完成后，需進行轉(zhuǎn)爐出渣操作。出渣過程涉及留渣操作，操作工需估算留渣量并錄入到系統(tǒng)，作為下一爐次的計算參數(shù)。

2.2.12 爐次結(jié)束 上述控制過程完成后，本爐次控制過程結(jié)束。爐次結(jié)束由轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)根據(jù)一級操作信號完成。爐次結(jié)束時，系統(tǒng)自動啟動各自學(xué)習(xí)模型，完成自學(xué)習(xí)過程。

3 過程模型設(shè)計

3.1 概述

過程模型控制范圍為轉(zhuǎn)爐操作的全過程。計算模型核心的工藝機理是熔渣和熔池之間的動力學(xué)關(guān)系。經(jīng)驗或者統(tǒng)計上的部分占盡可能小的部分，但是又不可能避免。這就確保了系統(tǒng)更廣泛的應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)的時間當(dāng)中。大部分的模型計算的結(jié)果都是加入熔池的原料的重量和吹煉過程需要消耗的氧量，最終的目的是在吹煉的終點使鋼水的溫度和成分滿足目標的要求[6]。除此以外，系統(tǒng)的反饋計算模型則根據(jù)吹煉過程熱量的損失，脫磷，脫碳等統(tǒng)計數(shù)據(jù)而自動修正的模型的部分參數(shù)。主要的模型見表2。

表2 涉及模型功能描述

3.2 目標溫度計算模型

根據(jù)鋼種/計劃查詢得到吹煉終點溫度。

3.3 主原料計算模型

裝料計算模型主要根據(jù)鐵水量、鐵水成分計算廢鋼加入量。模型根據(jù)能量平衡原理，以盡量不加其他冷卻劑為目標，計算廢鋼加入量。模型支持多種不同廢鋼的配比計算，可根據(jù)兩種模式進行廢鋼計算：優(yōu)先級模式和固定比例模式。優(yōu)先級模式根據(jù)優(yōu)先級和最大重量限制，按優(yōu)先級的高低計算每種廢鋼的加入量；固定比例模式根據(jù)用戶設(shè)定的每種廢鋼的配比比例計算各種廢鋼的加入量。

3.4 熔劑計算模型

熔劑計算模型指當(dāng)鐵水和廢鋼已經(jīng)加入或者準備加入時，計算石灰、（輕燒）白云石等熔劑的加入量。由爐渣計算模型分析可知，轉(zhuǎn)爐爐渣組分來源包括：上一爐留渣、鐵水、廢鋼帶入元素的氧化、熔劑加入、渣鋼帶入（與廢鋼統(tǒng)稱為廢鋼）。

3.5 靜態(tài)計算模型

用于計算爐次的吹氧量及冷卻劑量。靜態(tài)計算的原理為熱守恒和質(zhì)量守恒。

熱守恒即冶煉過程產(chǎn)生的總熱量與消耗的總熱量相等；質(zhì)量守恒及消耗的總氧量與輸入的總氧量相等。經(jīng)上述計算，模型輸出所需加入冷卻劑量及耗氧量。

3.6 動態(tài)計算模型

動態(tài)計算模型用于計算動態(tài)過程耗氧量及冷卻劑（加熱劑）質(zhì)量。

轉(zhuǎn)爐在進行TSC 測量后，進入動態(tài)控制過程。動態(tài)控制過程即按照TSC 測量的熔池溫度和碳，調(diào)整吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量以達到吹煉終點目標。動態(tài)計算模型用來為了達到出鋼溫度、出鋼碳含量所需吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量。同時，根據(jù)吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量預(yù)測實時熔池溫度和碳含量。

3.6.1 碳計算基本式 基本脫碳速度式：

式中：α 為最高脫碳速度，理論值為1.07kg/ (m3·t)；β為系數(shù)；C 為鋼水碳含量，0.01%；C0為常數(shù)，脫碳速率為0 時的碳含量，0.01%；O2為吹氧量，Nm3；WST為鋼水質(zhì)量，t。

3.6.2 動態(tài)控制量計算步驟 在上述基本計算式的基礎(chǔ)上，通過如下步驟計算動態(tài)控制量：（1） 根據(jù)TSC 碳和目標碳，計算所需的總氧量，該總氧量不考慮冷卻劑帶入氧的影響。（2） 根據(jù)溫度計算式及總氧量，計算冷卻劑加入量。（3） 將冷卻劑需求量帶入氧量計算式，修正氧吹入量。

經(jīng)上述計算，模型輸出動態(tài)過程耗氧量及冷卻劑（加熱劑）質(zhì)量。

3.7 合金計算模型

合金計算模型用于根據(jù)測量或化驗結(jié)果，計算達到鋼種成分要求所需加入的合金種類及加入量。同時根據(jù)實際加入的合金料，預(yù)測實時熔池成分。

3.7.1 改質(zhì)劑、脫氧劑的計算 渣料合金及爐渣改質(zhì)劑，該種物料的計算方法為根據(jù)工程師站為鋼種配置的計算依據(jù)及計算公式計算。計算依據(jù)為出鋼時的終點情況，因化驗值一般不會到達，計算依據(jù)可以為鋼種成分標準或TSO 測量計算。計算公式為出鋼改質(zhì)操作要求設(shè)定的計算公式，計算公式系數(shù)根據(jù)鋼種單獨配置。

3.7.2 金屬合金的計算 在考慮單一合金的單一元素情況下，根據(jù)元素守恒，合金加入量的基本計算公式如下（采用合金和元素雙收得率計算）：

式中：WAi為i 合金加入量，t；W 為加合金前鋼水重量，t；Xk為鋼水中k 元素的目標含量，%為加合金前鋼水中k 元素的含量，%；αi為i 合金整體收得率；XAi，k為i 合金中k 元素的含量，%；βi，k為i 合金中k 元素收得率。

4 結(jié)論

本研究依據(jù)寶鋼德盛不銹鋼有限公司新煉鋼工程2座碳鋼轉(zhuǎn)爐二級冶煉模型應(yīng)用實際案例，詳細論述了二級冶煉模型硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，過程控制，過程模型設(shè)計等方面內(nèi)容。

基于副槍的轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼二級冶煉模型具有以下優(yōu)點：終點溫度控制精度高；終點含碳量控制精度高；提高工藝效率；減少補吹次數(shù)；降低渣中的鐵含量；提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的壽命；優(yōu)化廢鋼熔煉效率。

當(dāng)然，二級冶煉模型系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要根據(jù)工程實際應(yīng)用不斷完善，不斷增強其實際應(yīng)用效果。